1、收 稿 日 期 : 2007209210基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (50505011) 、 国 家 “ 十 一 五 ” 科 技 支 撑 计 划 重 大 项 目 (2006BA F01A38)资 助 、 天 津 市 “ 十 一 五 ” 科 技 支 撑 计 划 重 点 项 目 (07ZC KF GX2400) 。作 者 简 介 : 程 国 良 (19822) ,男 ,硕 士 研 究 生 。文 章 编 号 :100124934 (2008) 0120005205汽 车 车 身 冲 压 模 具 开 发 同 步 工 程 的 关 键 技 术 研 究程 国 良 1 ,谢 晖
2、 2 ,杨 大 宇 2 ,钟 志 华 1(1. 湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家 重 点 实 验 室 , 湖 南 长 沙 410082 ;2. 天 津 汽 车 模 具 有 限 公 司 , 天 津 300308)摘 要 : 同 步 工 程 (SE)技 术 ,通 过 先 进 的 三 维 造 型 ,模 拟 仿 真 和 有 限 元 分 析 软 件 将 汽车 产 品 设 计 问 题 最 大 限 度 地 消 除 在 前 期 三 维 数 模 设 计 阶 段 ,大 大 缩 短 后 期 模 具 制 造 的时 间 。 分 析 了 同 步 工 程 的 关 键 技 术 ,提 出 了 汽
3、车 车 身 冲 压 模 具 开 发 同 步 工 程 的 模 型 ,并 进 行 了 可 行 性 验 证 ,同 步 工 程 是 一 种 合 理 有 效 的 方 法 。关 键 词 : 同 步 工 程 ;模 具 开 发 ;汽 车 车 身 设 计中 图 分 类 号 : T G386 文 献 标 识 码 : AAbstract : The simulta neous e ngi neeri ng technology , t hrough adva nced 3D modeli ng , simula2tion a nd fi nite eleme nt a nalysis sof tware , cou
4、ld solve t he p roblems of aut omobile p roductdesign maxi mumly at t he stage of i nitial 3D modeling design , a nd s horten t he succeedi ng diema nuf act uri ng ti me . The key technologies of S E were a nalyzed i n t his p ap er . A new S Emodel of die develop ment f or aut omobile body was p re
5、sented , a nd t he f easibilit y of t hismodel was also p roved. Si multa neous engi neering is a reasona ble a nd eff ective met hod.Keywords : si multa neous engi neeri ng ; die develop ment ; aut omobile body design0 引 言进 入 新 世 纪 以 来 ,我 国 的 汽 车 行 业 发 展 迅猛 。 2006 年 ,我 国 汽 车 总 产 量 达 到 720 万 辆 ,跃至 世
6、 界 第 三 位 。 随 着 市 场 竞 争 的 日 益 加 剧 ,汽车 产 品 的 市 场 生 命 周 期 也 越 来 越 短 。 汽 车 整 车模 具 制 造 周 期 几 乎 占 整 个 产 品 周 期 的 2/ 3 ,如 何在 保 证 质 量 ,控 制 成 本 的 前 提 下 ,有 效 缩 短 模 具制 造 周 期 成 为 缩 短 整 个 产 品 周 期 的 关 键 。 同 步工 程 (SE)技 术 集 成 了 汽 车 设 计 公 司 和 模 具 制 造公 司 各 自 的 优 势 ,在 车 身 开 发 阶 段 就 考 虑 到 产品 模 具 制 造 各 个 环 节 可 能 遇 到 的 问
7、题 ,同 步 的进 行 车 身 设 计 和 模 具 制 造 的 可 行 性 分 析 ,提 高了 产 品 的 设 计 质 量 ,降 低 产 品 成 本 ,有 效 缩 短 了模 具 制 造 周 期 ,是 一 种 行 之 有 效 的 方 法 。传 统 的 汽 车 车 身 模 具 开 发 流 程 基 本 上 是 串行 的 ,如 图 1 所 示 。它 主 要 存 在 以 下 问 题 :(1) 汽 车 设 计 公 司 独 立 开 发 车 身 ,模 具 公 司被 动 接 受 产 品 ,二 者 之 间 相 互 独 立 ,优 势 不 能 互补 ;(2) 整 车 车 身 三 维 数 模 到 达 模 具 制 造 公
8、 司前 ,数 模 尺 寸 基 本 冻 结 ,后 期 接 到 模 具 公 司 提 出的 修 改 后 数 模 ,由 于 涉 及 到 很 多 产 品 前 期 相 关 工5模 具 技 术 2008. No . 1图 1 传 统 的 汽 车 模 具 开 发 流 程作 ,例 如 焊 接 关 系 ,主 断 面 图 ,汽 车 整 车 外 形 等 ,数 型 修 改 可 能 性 很 小 ,严 重 影 响 模 具 的 制 造 周期 ;(3) 汽 车 设 计 公 司 和 模 具 制 造 公 司 之 间 对数 型 的 修 改 方 案 无 法 有 效 快 速 的 沟 通 ,其 中 模具 公 司 等 待 数 型 的 修 改
9、 和 确 认 周 期 很 长 ,影 响公 司 的 计 划 和 进 度 ;(4) 由 于 数 型 的 反 复 修 改 和 确 认 给 模 具 公司 的 工 艺 分 析 ,数 型 的 整 理 带 来 大 量 重 复 的 工作 ,严 重 影 响 整 个 产 品 周 期 。1 同 步 工 程 模 型 的 建 立同 步 工 程 SE ( simultaneous engineering) 是并 行 的 ,集 成 的 设 计 产 品 的 系 统 方 法 。 它 的 实质 是 在 产 品 的 设 计 阶 段 ,就 充 分 地 预 测 该 产 品在 制 造 、 装 配 、 销 售 、 以 及 回 收 等 环
10、节 中 可 能 出现 的 “ 问 题 ” ,对 “ 问 题 ” 提 前 进 行 修 改 和 优 化 ,是一 种 对 产 品 及 其 实 现 过 程 进 行 同 步 的 ,一 体 化设 计 的 工 作 模 式 。在 汽 车 车 身 模 具 开 发 领 域 ,同 步 工 程 主 要体 现 在 :汽 车 模 具 制 造 制 造 商 派 出 具 有 一 定 汽车 模 具 CA E 工 艺 分 析 和 模 具 制 造 工 程 性 分 析经 验 的 设 计 人 员 参 与 汽 车 前 期 车 身 设 计 ,利 用掌 握 的 有 限 元 分 析 软 件 (主 要 是 AU TOFORM ,D YNA FOR
11、M ,PAM2STAMP 等 )和 模 具 制 造 经验 ,对 产 品 制 件 进 行 初 期 成 型 CA E 和 模 具 工 程性 预 分 析 ,提 早 发 现 问 题 ,之 后 在 车 身 设 计 人 员的 共 同 参 与 下 对 数 模 进 行 合 理 优 化 修 改 ,最 后将 优 化 后 数 模 提 供 给 模 具 制 造 公 司 进 行 进 一 步的 CA E 工 艺 分 析 、 制 作 和 模 具 制 造 。 具 体 的 流程 如 图 2 所 示 。图 2 同 步 的 汽 车 模 具 开 发 流 程2 同 步 工 程 的 关 键 技 术在 汽 车 车 身 冲 压 模 具 开 发
12、 的 过 程 中 ,同 步工 程 全 面 采 用 计 算 机 辅 助 技 术 ,将 产 品 三 维 数模 造 型 、 制 件 的 工 艺 分 析 、 成 型 过 程 虚 拟 调 试 ,直 至 最 终 冲 压 模 具 的 加 工 制 造 等 各 个 环 节 紧 密联 系 在 一 起 ,通 过 对 各 影 响 因 素 的 处 理 集 成 ,有效 缩 短 了 产 品 的 生 命 周 期 ,降 低 了 整 车 开 发 成本 ,提 高 了 市 场 的 竞 争 力 。 同 步 工 程 技 术 的 应用 可 以 使 汽 车 公 司 根 据 市 场 需 求 持 续 不 断 地 、低 成 本 地 、 及 时 地
13、 设 计 制 造 出 新 车 型 。 整 个 应 用过 程 中 涉 及 的 关 键 技 术 主 要 包 括 以 下 4 个 方 面 。2. 1 计 算 机 辅 助 设 计 ( CAD)技 术汽 车 车 身 是 复 杂 的 自 由 曲 面 的 集 合 体 ,功能 强 大 的 CAD 三 维 造 型 软 件 (本 文 主 要 指6 Die and Mould Technology No1. 2007CA TIA)可 以 将 设 计 者 的 思 想 和 实 物 模 型 转 化为 CAD 模 型 。 应 用 CAD 技 术 可 以 在 计 算 机 中完 成 整 车 制 件 的 测 量 点 云 数 据
14、处 理 、 三 维 数 模的 建 立 、 数 模 表 面 的 光 顺 处 理 、 特 征 分 布 处 理 、搭 接 件 的 干 涉 检 查 、 整 车 主 断 面 的 布 置 、 焊 点 布置 、 整 车 装 配 以 及 产 品 图 的 制 作 等 工 作 。 它 的应 用 加 速 了 产 品 的 设 计 和 创 新 ,增 强 了 企 业 的知 识 积 累 ,缩 短 了 新 车 型 的 开 发 周 期 ,提 高 了 企业 的 核 心 竞 争 力 。2. 2 计 算 机 辅 助 工 程 分 析 ( CAE)技 术CAD 模 型 的 建 立 为 车 身 开 发 提 供 了 基 础 ,但 如 何 评
15、 价 整 车 的 性 能 和 产 品 设 计 的 合 理 性 至关 重 要 。 CA E 技 术 利 用 功 能 强 大 的 有 限 元 分 析仿 真 软 件 (本 文 主 要 指 AU TOFORM) 可 以 很 好的 完 成 车 身 零 件 的 工 艺 参 数 设 定 、 工 艺 和 模 具的 优 化 工 作 。 应 用 CA E 技 术 可 以 准 确 的 预 测制 件 的 起 皱 、 破 裂 、 表 面 质 量 、 回 弹 、 冲 击 和 滑 移线 等 缺 陷 ;可 以 完 整 地 模 拟 制 件 成 型 的 整 个 过程 :重 力 、 压 边 、 拉 延 、 切 边 、 整 形 、
16、回 弹 。 根 据CA E 分 析 结 果 可 以 对 制 件 的 三 维 数 模 进 行 处 理优 化 ,这 样 减 少 了 数 据 的 相 互 传 递 次 数 ,降 低 了产 品 开 发 成 本 ,增 强 了 产 品 的 竞 争 力 。2. 3 虚 拟 制 造 技 术 ( virtual technology)虚 拟 制 造 技 术 主 要 以 计 算 机 CAD/ CA E 技术 为 基 础 ,在 计 算 机 的 虚 拟 环 境 下 实 现 产 品 从开 始 的 产 品 规 划 阶 段 到 投 入 销 售 的 全 过 程 。 应用 虚 拟 制 造 技 术 可 以 在 计 算 机 中 实
17、现 整 车 车 身和 零 部 件 的 概 念 设 计 ,造 型 设 计 ,工 艺 设 计 ,模具 设 计 ,模 具 加 工 ,模 具 制 造 的 整 个 过 程 并 可 以实 时 进 行 相 关 修 改 。 它 的 应 用 使 数 据 管 理 更 加条 理 化 ,工 作 的 流 程 更 加 清 晰 化 ,数 模 的 改 动 更加 简 洁 化 。 同 时 它 还 可 以 有 效 的 组 织 市 场 信息 、 技 术 信 息 、 以 及 资 源 信 息 ,促 进 异 地 分 布 式协 同 产 品 开 发 的 实 现 ,为 创 新 产 品 的 开 发 、 企 业之 间 有 效 的 合 作 提 供 良
18、 好 的 运 行 机 制 和 条 件 。2. 4 产 品 的 工 程 性 分 析 技 术产 品 的 工 程 性 分 析 技 术 主 要 指 合 理 的 利 用现 有 的 模 具 设 计 制 造 “ 知 识 库 ” ,在 产 品 设 计 初期 ,对 整 车 车 身 制 件 的 制 造 工 序 、 模 具 大 小 、 模具 结 构 、 机 床 的 选 择 以 及 冲 压 生 产 线 的 布 置 等方 面 进 行 合 理 化 分 析 。 模 具 设 计 制 造 “ 知 识 库 ”的 建 立 ,将 现 有 成 熟 的 模 具 制 造 经 验 和 标 准 进行 集 成 总 结 ,使 设 计 人 员 在
19、模 具 设 计 最 初 阶 段 ,最 大 限 度 的 发 现 问 题 ,并 根 据 相 应 知 识 对 问 题提 早 进 行 优 化 处 理 。 随 着 知 识 的 不 断 积 累 ,知识 库 的 容 量 也 在 不 断 的 膨 胀 ,技 术 人 员 水 平 也会 迅 速 的 提 高 ,这 将 大 大 缩 短 后 期 车 型 开 发 和制 造 的 周 期 ,促 进 企 业 的 可 持 续 性 发 展 。3 典 型 案 例某 车 型 整 车 车 身 前 期 冲 压 模 具 开 发 过 程 中左 / 右 后 轮 罩 内 板 的 同 步 工 程 产 品 的 前 期 工 程性 评 价 ,综 合 考 虑
20、 零 件 的 特 点 和 模 具 工 艺 的 需要 ,最 终 决 定 采 用 左 、 右 两 件 共 用 一 套 模 具 。 在三 维 造 型 软 件 中 将 2 个 零 件 调 整 到 冲 压 坐 标 系下 的 产 品 数 模 如 图 3 所 示 。图 3 产 品 数 模根 据 产 品 做 出 简 要 工 艺 补 充 和 压 料 面 后 的数 模 如 图 4 所 示 。图 4 工 艺 补 充 数 模7模 具 技 术 2008. No . 1最 初 安 排 工 序 为 五 序 ,分 别 是 :1 . 落 料 ;2.拉 延 ; 3. 修 边 冲 孔 侧 冲 孔 ; 4. 修 边 侧 修 边 侧
21、冲孔 ;5. 整 形 冲 孔 切 开 。初 始 材 料 : DC04 ,主 要 参 数 为 :屈 服 强 度1 760 MPa , 拉 深 强 度 3 210 MPa , 硬 化 指 数n = 0. 217 ,各 向 异 性 指 数 r = 1. 94 ,产 品 料 厚t = 0. 8 mm。经 过 初 期 的 产 品 分 析 发 现 :左 右 两 件 均 存在 孔 的 布 置 不 合 理 问 题 (产 品 图 A 处 所 指 区域 ) 。缺 陷 分 析 : 此 孔 边 界 距 离 产 品 边 界 只 有3 mm左 右 (图 5) ,由 于 相 对 的 位 置 关 系 ,修 边 、冲 孔 和
22、侧 冲 孔 工 艺 必 须 分 三 序 进 行 ,并 且 冲 孔时 模 具 强 度 太 弱 ,不 利 于 产 品 成 型 和 模 具 铸 造 。改 进 方 法 :将 此 孔 向 内 侧 最 大 偏 离 2 mm ,其 他 不 变 (图 6) 。 修 改 后 ,不 但 解 决 了 模 具 问题 ,而 且 可 以 将 修 边 冲 孔 2 个 工 序 合 为 一 序 ,节省 了 一 套 模 具 ,大 大 降 低 了 模 具 成 本 。图 5 孔 的 最 初 位 置 图 6 修 改 后 孔 的 位 置 改 进 后 的 工 序 为 : 1. 落 料 ; 2. 拉 延 ; 3. 修 边冲 孔 侧 冲 孔
23、;4. 修 边 侧 修 边 侧 冲 孔 整 形 。工 艺 成 型 性 (CAE) 辅 助 分 析 :使 用 给 定 的DC04 材 料 ,在 基 本 确 定 坯 料 形 状 及 拉 延 筋 布 置的 情 况 下 ,在 Autoform 中 计 算 结 果 如 图 7 所 示 。图 7 材 料 为 DC04 的 模 拟 结 果经 过 分 析 判 断 :通 过 调 节 拉 延 筋 、 压 边 力 、冲 压 方 向 等 辅 助 手 段 不 能 有 效 解 决 破 裂 问 题(图 3B、 C 所 指 区 域 ) 。 由 此 判 定 :不 更 换 材 料 ,开 裂 严 重 ,几 乎 无 法 成 型 ;如
24、 果 前 期 不 做 任 何 处理 分 析 ,模 具 公 司 按 照 最 初 的 材 料 设 计 工 艺 和模 具 ,将 会 产 生 大 量 困 难 ,甚 至 会 影 响 整 个 车 身的 装 车 时 间 以 及 最 终 的 上 市 。最 后 确 定 把 材 料 更 换 为 DC06 ,主 要 参 数为 :屈 服 强 度 1 500 MPa ,拉 深 强 度 3 000 MPa ,硬 化 指 数 n = 0. 23 ,各 向 异 性 指 数 r = 2. 2。 更 换新 材 料 后 模 拟 结 果 如 图 8 所 示 。图 8 材 料 为 DC06 的 模 拟 结 果结 果 分 析 :虽 然
25、仍 有 小 区 域 的 开 裂 现 象 ,但可 以 判 定 经 过 对 型 面 的 微 小 调 整 (5 mm 以 内 )可 以 成 形 ,且 成 形 性 较 好 ,有 利 于 后 序 模 具 的 制造 ,缩 短 调 模 的 时 间 。 最 后 确 定 数 型 如 图 9 所示 。图 9 最 终 确 定 的 数 模相 关 的 搭 接 件 分 析 :由 于 前 期 的 同 步 工 程的 协 调 ,对 轮 罩 内 部 与 之 搭 接 制 件 的 相 关 区 域进 行 了 少 量 的 修 改 (图 10) ;如 果 没 有 前 期 的 同步 工 程 ,后 期 将 可 能 导 致 该 零 件 的 工
26、艺 修 改 ,模8 Die and Mould Technology No1. 2007具 修 改 甚 至 影 响 现 场 模 具 调 试 情 况 。图 10 搭 接 件4 结 论同 步 工 程 技 术 的 应 用 有 效 减 少 了 整 车 模 具的 开 发 周 期 ,为 汽 车 公 司 和 模 具 制 造 公 司 双 方节 约 了 大 量 的 成 本 ,大 大 提 高 了 各 自 公 司 的 竞争 力 。 但 由 于 同 步 工 程 应 用 的 范 围 和 深 度 还 远远 不 够 ,有 些 方 面 的 管 理 还 不 够 成 熟 ,在 以 后 的应 用 过 程 中 ,同 步 工 程 的
27、发 展 方 向 主 要 表 现 在以 下 几 个 方 面 :(1) 汽 车 模 具 制 造 公 司 设 计 人 员 大 量 参 与汽 车 公 司 前 期 的 车 身 设 计 工 作 ;(2) 汽 车 设 计 公 司 和 模 具 公 司 之 间 相 互 合作 ,大 大 提 高 双 方 科 研 实 力 和 技 术 水 平 ,增 强 各自 的 竞 争 力 ;(3) 建 立 同 步 工 程 ( SE) 方 面 相 关 的 规 范 、标 准 和 相 关 方 面 的 知 识 库 ;(4) 通 过 摸 索 ,不 断 扩 大 同 步 工 程 在 整 个 汽车 制 造 过 程 中 的 应 用 。综 上 所 述
28、,同 步 工 程 技 术 应 用 到 汽 车 车 身冲 压 模 具 开 发 领 域 将 成 为 汽 车 车 身 设 计 和 汽 车模 具 开 发 的 必 然 趋 势 ,相 信 通 过 不 断 的 摸 索 和经 验 的 积 累 ,一 定 会 大 大 缩 小 和 国 外 先 进 汽 车制 造 企 业 的 差 距 ,提 高 国 内 自 主 品 牌 的 竞 争 力 。参 考 文 献 : 1 钟 志 华 ,李 光 耀 . 薄 板 冲 压 成 型 过 程 的 计 算 机 仿真 与 应 用 M .北 京 :北 京 理 工 大 学 出 版 社 ,1998. 2 Morgan L Swink. A tutori
29、al on implementingconcurrent engineering in new product develop2ment programs J . Journal of Operations man2agement ,1998 , (16) :1032116.3 Yung2Chou Kao , Grier C I Lin. Development ofa collaborative CAD/ CAM system J . Roboticsand Computer2integrated Manufacturing , 1998 ,(14) :55268. 4 GAO J X ,
30、Manson B M , Kyrat sis P. Implementof concurrent engineering in the suppliers to theautomobile industryJ . Journal of material Pro2cessing Technology , 2000 ,107 :2012208. 5 李 黎 . 同 步 工 程 在 长 安 汽 车 开 发 中 的 运 用 J .高 科 技 与 产 业 化 , 2006 ,(6) :68269. 6 李 建 新 . 现 代 汽 车 车 身 开 发 关 键 技 术 及 应 用 J .机 电 产 品 开
31、发 与 创 新 , 2005 ,18 (5) : 64266. 7 常 思 勤 . 同 步 工 程 在 汽 车 行 业 中 的 应 用 J . 世界 汽 车 , 1996 , (4) : 21222. 8 王 小 新 ,于 昕 世 ,刘 亚 东 . 基 于 并 行 工 程 思 想 的模 具 开 发 与 制 造 过 程 J . 模 具 技 术 ,2001 , (5) :10212.本 刊 加 入 中 国 学 术 期 刊 (光 盘 版 ) 和 “ 中 国 期 刊 网 ” 的 声 明为 适 应 我 国 信 息 化 建 设 需 要 ,扩 大 作 者 学 术 交 流 渠 道 ,本 刊 已 加 入 中 国 学 术 期 刊 (光 盘版 ) 和 “ 中 国 期 刊 网 ” 。 作 者 著 作 权 使 用 费 与 本 刊 稿 酬 一 次 性 给 付 。 如 作 者 不 同 意 将 文 章 编入 该 数 据 库 ,请 在 来 稿 时 声 明 ,本 刊 将 做 适 当 处 理 。 模 具 技 术 编 辑 部9模 具 技 术 2008. No . 1
